基于Android应用的智能计量插座设计-AET-电子技术应用

基于Android应用的智能计量插座设计

2015年微型机与应用第19期

孙翠华1，葛年明2，李圳1

（1.三江学院电子信息工程学院，江苏南京 210012； 2.三江学院电工电子实验中心，江苏南京 210012）

摘要： 智能家居是物联网的一个重要应用领域，而智能计量插座因其可以有效监控用电量，已成为智能家居的重要组成部分。本文采用处理器STM8L152和计量芯片ATT7039AU，实现对用户插座电压、电流、功率、用电量等参数的有效监控，并通过自带的WiFi模块，实现对插座的远程智能控制、数据采集、能耗管理等功能，从而达到减少家居用电能耗的目的。

关键词： 电量计量 Android应用 WiFi 节能监控

Abstract：

Key words :

　　摘要：智能家居是物联网的一个重要应用领域，而智能计量插座因其可以有效监控用电量，已成为智能家居的重要组成部分。本文采用处理器STM8L152和计量芯片ATT7039AU，实现对用户插座电压、电流、功率、用电量等参数的有效监控，并通过自带的WiFi模块，实现对插座的远程智能控制、数据采集、能耗管理等功能，从而达到减少家居用电能耗的目的。

　　关键词：电量计量；Android应用；WiFi；节能监控

0 引言

　　随着物联网的多方面应用，智能家居得到了快速的发展，并逐步进入人们的生活，改变着人们的生活习惯。随着低碳经济、绿色环保等可持续发展观念的倡导，更多的人开始关注节能、重视家用电器的耗电量，计量插座便因此而生。

　　目前市场上已经有许多计量类插座，据调查，公认的几大品牌有力创、北电、泰克曼和优利德等，而市场上这些插座功能都大同小异。但当前的这些智能插座设计以提供保护、监测或控制等单一功能为主，很难实现智能化和远程控制，不能满足智能家居系统的要求。

　　针对此，本文设计的计量插座不仅具有市场上一般智能插座的功能，还具有远程监控的功能，真正实现了对电量使用的实时监控和管理，符合智能家居的发展方向与要求。

1 系统总体设计概述

　　1.1 系统总体结构

　　智能计量插座主要由MCU控制单元、计量模块、WiFi模块、继电器控制[1]、LCD显示电路等几个部分组成，具体如图1所示。

　　1.2 电路基本工作原理及主要功能介绍

　　系统经计量模块采集电量、电压、功率、电流等相关电量数据，并送MCU处理，MCU将处理后的数据通过WiFi模块，发送给手机用户，手机用户可以实时查看电量、电压、功率、电流等数据，实现对家庭用电的监控[2]。另一方面，用户可以通过手机对计量插座实现远程控制[3]，通过手机向WiFi模块发送指令，WiFi模块将控制指令发送给MCU主控芯片，MCU进行处理后，对计量芯片进行配置，实现远程控制通断以及定时[4]等功能。

2 系统硬件电路设计

　　2.1 电源电路

　　本系统采用电容器降压的方式，直接将220 V市电通过CBB电容及稳压二极管转化为5 V直流电，给继电器及计量芯片供电。再利用HT7533稳压管将5 V电压降为3.3 V给主控芯片及其他模块供电。具体电路如图2所示。

　　2.2 MCU微控制单元电路

　　MCU微处理器采用STM8L152芯片，STM8L152是8位超低功耗单片机，拥有5个低功耗模式，先进的STM8核心以及32 kHz和1~16 MHz晶体振荡器，另外它有4个通道，分别是ADC、DAC、SPIS、W2C。还有USART接口，有高达64 KB的快闪记忆体和高达2 KB的数据EEPROM、ECC和RWW以及灵活的读/写保护模式。

　　2.3 计量模块电路

　　计量模块中用到的计量芯片为ATT7039AU，该模块提供三项电能计量所需要的有功功率、无功功率与无功电能、电压有效值、电流有效值及频率参数等，支持软件校表方式。通过SFR寄存器和中断的方式，可以对数字信号处理部分进行校表参数配置和计量参数读取；计量的结果通过FR/QF引脚输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准表进行误差对比。计量模块具体电路如图3所示。

　　2.4 继电器控制电路

　　系统采用继电器来通断电控制用电器[5]。继电器是一种常用的控制设备。继电器设计如图4所示。

　　在正常情况下，ATT3079处理器的I/O口为低电平，NPN三极管处于截止状态，此时继电器线圈内并无电流，所以继电器L-IN与L-OUT之间处于常闭状态，用电器处于正常工作状态；当需要断开用电器时，I/O口置高电平，NPN三极管导通，此时继电器线圈内有电流流过，使继电器L-IN与L-OUT之间处于常开状态，切断用电器供电。

3 系统软件设计

　　本系统采用C语言编写，程序编写使用模块化和层次化的设计方法，使程序更加可靠，方便开发人员的调试和维护。程序功能模块包括程序初始化模块、计量芯片主控模块、计量参数校正、LCD显示模块、按键处理模块、计量参数读取处理模块、定时模块和继电器控制模块。采用模块化编程使得程序更加简洁，将每个模块都放在一个.C文件里面，只需要在主函数中调用就可以使用此模块的功能。系统主程序如图5所示。

　　系统程序中还用到定时器中断服务程序，每100 ms采集、处理一次计量芯片所得到的数据。其余时间用在按键扫描、继电器控制和收发ZigBee模块数据上面。这样就能够给每个模块都分配一定的时间，不会出现互相干扰的现象。

　　同时利用终端服务器监控计量插座客户端和Andriod手机客户端，当计量插座要通过WiFi发送数据给Andriod手机时，服务器接收到信号，并建立WiFi连接处理请求，回应数据完成后结束连接继续监听；当Andriod手机客户端向计量插座发送数据请求时，同样先建立连接后处理请求，结束后继续监听。具体通信程序设计如图6所示。

4 系统测试与分析

　　4.1 计量芯片有效值寄存器校正

　　电压通道推荐输入为200 mV有效值。首先，对EMU特殊功能寄存器进行配置（如：SUPD内部模块使能控制寄存器等）。并且对ADC控制寄存器进行配置，对电压ADC独立配置放大信号1倍，电流ADC独立配置放大信号16倍。寄存器配置完后接上电源，电参数的数据都将存入计量参数寄存器中，但是直接读出来的数据是不对的。需要对校表参数寄存器进行配置，对计量参数寄存器进行校正。

　　4.2 电能参数的折算

　　电能计量模块采用定时读取电能参数的方式，定时更新电能参数，并且监控计量芯片工作是否正常，确保计量参数的准确。有效值寄存器校正后需要进行折算才能得到正确的电能值。

　　4.3 实际测试与误差分析

　　通过实际测试的方法检测样表的准确度，需要给插座一个稳定的源（如：电压源、电流源），以下为主要参数的测试数据。

　　（1）电压测试数据

　　电压测试数据如表1所示。